中國粉體網訊 隨著科技的進步和現代化工業程度的提高，人們對光學功能材料性能的要求也逐漸提高，但由于傳統的光學材料玻璃的力學和耐熱等性能太差，而單晶材料成本太高，且不易加工，因此人們設想制備出一種既具有玻璃和單晶的光學性能又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、高強度等特性的新型材料，在這樣的大背景下透明陶瓷材料應運而生。
透明陶瓷的起源與發展
長期以來，人們認為陶瓷是不透明的。
直到1957年，美國GE公司的Coble等陶瓷學家根據晶體透明原理，采用陶瓷制作方法，成功制備出第一塊透明氧化鋁陶瓷——“Lucalox”，率先改變了陶瓷材料難以透明的傳統概念，由此開創了陶瓷領域的新紀元。
自透明陶瓷問世以來，其廣泛的應用和發展前景，使其迅速成為新材料領域的一顆“璀璨新星”。美國和日本率先對其進行研究，之后英國、俄羅斯、法國等國也都對其投入了極大的熱情，先后開發出了Al2O3、Y2O3、YAG、ZrO2、CaO、ThO2、BeO和Gd2O3等氧化物透明陶瓷，MgF2、BaF2和CaF2等氟化物透明陶瓷，AlN等氮化物透明陶瓷，Dy：CaF2透明激光陶瓷及透明閃爍體陶瓷（Y，Gd）2O3:Eu等。
透明陶瓷的優勢
透明陶瓷作為光功能材料，與常用的單晶和玻璃材料相比，其具有以下兩點明顯的優勢：
（1）具有和單晶相似的物理化學性質和光譜特性
有研究表明，高光學質量的透明陶瓷在熱導率、熱膨脹系數、吸收光譜和發射光譜等方面的性能和單晶幾乎沒有差別，并且透明陶瓷在力學性能和熱學性能方面具有玻璃無法比擬的優勢。
（2）制備周期短，生產成本低，可制備大尺寸
常規單晶的生長一般需要幾周甚至更長的時間，高熔點氧化物單晶的生長還需要昂貴的鉑金坩堝或銥坩堝，并且由于生長方式的限制，很難制備出大尺寸的單晶材料。而陶瓷成型工藝簡單，燒結溫度通常比它的熔點要低幾百攝氏度，且可以實現大尺寸批量化生產。
透明陶瓷的應用
透明陶瓷是有較高應用價值的新型功能材料，透明陶瓷可以彌補單晶和玻璃的不足，因而在光學、高溫技術、電子技術、航空、航天以及國防工業等領域都具有重要應用。
透明陶瓷可用于高壓鈉燈燈管、光學儀器透鏡、存儲設備的基片和集成電路板；其優良的介電性能使它能夠在電纜方面得到應用；超高的耐磨性使得透明陶瓷能廣泛的應用于精密儀器；耐高溫性能使其在較高的溫度下使用。另外，其在工業中的應用涉及照明行業，激光領域，核醫學成像領域，核熱閃光領域和光學成像領域等；在軍事中的應用包括高能激光介質，防護材料和各類透波材料，例如可應用于飛機透明防彈護板和窗口、透明裝甲和導彈等飛行器頭部的雷達天線罩和紅外線整流罩。
透明陶瓷的透光原理
長期以來，陶瓷是不透明的，這是因為一般多晶陶瓷非立方晶系的晶粒在取向上具有隨機性，以及陶瓷內部的氣孔和第二相等缺陷對光線產生強烈的折射和反射，導致光線通過陶瓷時被分散。當光線通過介質時，由于介質對光線的反射、折射和內部的吸收散射等效應，光線的強度在傳播過程中具有逐漸減弱的趨勢。當將這些抑制光線傳播的問題規避以后，陶瓷即可實現透明。
光在陶瓷中的傳播和散射示意圖
影響透明陶瓷透光率的因素
影響透明陶瓷透光率的因素很多，除材料本征因素外還包括如：粉體性能、成型過程、燒成制度等等的影響，尤其是粉體的性能的好壞，對所獲得的陶瓷體透明與否幾乎起著決定性的作用。
（1）原料
制備透明陶瓷的原料要具備以下要求：高純度、高燒結活性、高分散性。如果原料中存在雜質，雜質會在透明陶瓷內部形成光的散射中心，從而使光發生散射，從而降低陶瓷的透光率。
（2）添加劑
為了降低陶瓷材料的燒結溫度并改善其晶界結構，在制備的過程中，可選擇加入合適的添加劑。一方面添加劑可以在燒結過程中形成液相或活化晶格能，從而降低燒結溫度；另一方面添加劑可以抑制晶界的遷移和晶粒生長，使氣孔有足夠時間依靠晶界擴散而被排除，有利于實現陶瓷的完全致密致密化，大大提高陶瓷的透光率。
（3）氣孔率
氣孔率是影響透明陶瓷透光率最大的因素。存在于陶瓷內部的氣孔會對光產生強烈的散射和反射，研究表明氣孔率大于1%的氧化物陶瓷是不透明的。因此，制備透明陶瓷的過程實質上就是制品在燒結過程中實現完全致密化的過程。
（4）晶界與晶體結構
晶界能夠破壞陶瓷的光學均勻性，從而引起光的散射，同時其也是光的吸收源。若晶界清晰，必然引起光的散射和折射。因此，要使材料獲得較高的透光率，必須保證材料無光學各向異性，晶界微薄，且無氣孔和第二相夾雜物及位錯等缺陷。
（5）燒結環境
制備透明陶瓷需要在真空或者氣氛條件下燒結。在選擇燒結氣氛時要準確知道燒結和熱處理時發生的主要缺陷形成反應，例如，氧化物陶瓷，為增加氧空位濃度而選擇氫氣氣氛燒結。正確的選擇燒結氣氛有利于氣孔的排除，加速陶瓷的透明化燒結。
（6）表面光潔度
表面粗糙度也是透明陶瓷透光率的重要影響因素之一。研究表明經研磨后的陶瓷的透光率為50%-60%，拋光后可達80%。可見對陶瓷表面進行研磨和拋光處理能夠極大的提高陶瓷的透光率。
透明陶瓷的制備工藝
透明陶瓷的制備工藝主要分為粉體制備、成型、燒結、后處理。
粉體制備
粉體的質量直接決定著透明陶瓷的質量。理想中的優質粉體應具備以下的特征：粉體純度高，顆粒呈球形，顆粒細小且粒徑均勻，顆粒分散無團聚現象。
目前，粉體的制備方法主要有固相反應法、溶膠-凝膠法、燃燒法、共沉淀法、水熱法、醇鹽水解法等。
成型
陶瓷的成型過程是在陶瓷粉料加入一定量的粘接劑等制成陶瓷坯料，然后經過處理，再將其加工成特性形狀的過程。
目前，透明陶瓷的成型方法主要有干壓成型、等靜壓成型、流延成型、注射成型和注漿成型等。
燒結
陶瓷燒結，是指成型后的陶瓷坯體在一定的溫度、壓力和氣氛的條件下通過坯體顆粒黏結、物質傳遞、體積收縮、氣孔排除等過程形成一定的幾何形狀，并獲得一定程度的密度、強度以及其他物理性能提升的過程。通常意義上的燒結并不會使樣品的化學組分或物質結構發生變化。
目前，透明陶瓷的燒結方法主要有常壓燒結、真空燒結、熱壓燒結、微波燒結、氣氛燒結和放電等離子燒結等。
陶瓷后處理
剛燒結制備的透明陶瓷表面非常的粗糙，表面凹凸不平，會引起入射光的漫反射，降低陶瓷的透光率。因此，需要對制備的陶瓷進行研磨和拋光以提高其透光率。大量實踐和研究表明，陶瓷的透光率經研磨和拋光處理之后可以從40％增加到80％以上。
參考來源：
[1]陳鵬輝.釔穩定氧化鋯透明陶瓷的制備與性能研究
[2]羅軍明.ZrO2基透明陶瓷的制備及其發光性能研究
[3]透明陶瓷：你看我長得像不像玻璃.粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除
